Динамический анализ обвязки насосного агрегата

Для проверки полученных ранее выводов проведем расчет реального объекта. В качестве объекта исследования была выбрана обвязка насосного агрегата подачи сырья на установку «Изомалк-2» Омского нефтеперерабатывающего завода. Насос марки ТКА 210/80-а-Н имеет частоту вращения вала 2950 об/мин и массу 900кг. Модель насоса с разбиением на сетку конечных элементов представлена на рис. 3.16.

Рисунок 3.16. Конечно-элементная модель насоса.

Основная часть насоса выполнена цельнотельной, всасывающий и нагнетательный патрубок же смоделированы в соответствии с реальными размерами как тонкостенная оболочка. Это сделано для того, чтобы модель более адекватно воспринимала нагрузки. Так как основные нагрузки от трубопровода будут воспринимать именно штуцера. Для учета массы насоса поступим аналогично с опорами, для материала насоса изменим значение плотности.

Обвязка насоса представляет собой линию всасывания с рабочим давлением P_в=0,15 МПа, и линию нагнетания с рабочим давлением P_н=0,7 МПа. Линия всасывания имеет диаметр 273х8 мм и содержит одну задвижку перед входом в насос и переход К-273х8-159х6. Линия нагнетания имеет диаметр 219х7 мм и содержит байпас диаметром 159х6 и параллельную линию аварийной перекачки в резервуарный парк. Массы задвижек составляют 244, 158 и 105 кг для Ду 250, 200 и 150 соответственно. Рабочая температура трубопроводов составляет 40˚С. Модель обвязки представлена на рис. 3.17.

Рисунок 3.17. Модель обвязки насосного агрегата.

 

Все трубы опираются на опоры типа КП-АС12. Произведем расчет значений их жесткостей и эквивалентных модулей Юнга по методике описанной ранее. Результаты расчета приведены в таблице 3.6.

Таблица-3.6. Результаты определения жесткостей опор обвязки насоса.

Опора	δпр, м	Епр, Па	δпоп, м	Епоп, Па	δв, м	Ев, Па
273-КП-АС12
219-КП-АС12
159-КП-АС12

 

Для начала был произведен статический анализ конструкции. В качестве граничных условий на подошвы крайних опор на эстакаде и основание рамы насоса наложены полные ограничения на перемещения. Остальным же скользящим опорам назначен запрет на вертикальные перемещения.

Для оценки статической прочности трубопровода определим его расчетное сопротивление металла стенки трубы. Материал трубопровода – сталь 09Г2С.

, (3.12)

где m – коэффициентусловий работы трубопровода, m=0,9;

R2н – нормативное значение предела текучести материала, равное 345 МПа;

k2 – коэффициент надежности по материалу, равный 1,1;

kн – коэффициент надежности по назначению, равный 1,0.

По результатам статического анализа максимальные напряжения в трубопроводе составили 252 МПа в районе тройника переходного тройника с линии нагнетания на байпас, что не превышает расчетного сопротивления материала стенки трубы.

Максимальные деформации наблюдаются на линии нагнетания и составило 191 мм (рис. 3.18). Данное перемещение направлено вдоль оси Х.

Рисунок 3.18. Общие деформации трубопровода.

Далее был произведен модальный и гармонический анализы. Значения амплитуды пульсации давления в трубопроводах составили 4,5 и 17,5 кПа для линий всасывания и нагнетания соответственно.

Определим значение частоты первой гармоники вынужденных колебаний трубопровода от пульсации давления при работе насоса.

(3.13)

где i= 1, 2, 3… - номер гармоники;

m=6 – число лопаток рабочего колеса насоса;

n=2950 об/мин – частота вращения вала насоса.

По результатам гармонического анализа было выявлено, что наибольшая амплитуда колебаний происходит в той же точке, где проявились максимальные деформации при статическом нагружении и составили 26 мм при частоте 2,08 Гц, соответствующей 7 форме колебаний.

Далее для устранения данных высоких амплитуд колебаний было решено сдвинуть опоры линий нагнетания вблизи проблемной точки ближе к месту подъема трубопроводов на трассу. Опора основной линии нагнетания была перемещена на 750 мм, линии аварийной перекачки – на 2000мм. Такое решение было принято с целью уменьшения расстояния до первой опоры, расположенной на трассе для уменьшения коэффициента динамичности данного участка.

Вторым вариантом решения данной проблемы выступила замена двух опор вблизи подъема на трассу на катковые направляющие. Это должно было снизить динамичность данного участка, а также снизить деформации трубопровода при статическом нагружении ввиду ограничений на перемещение данных опор поперек оси трубопровода.

Результаты расчета собственных частот колебаний и спектров отклика приведены на рис. 3.19 и рис. 3.20 соответственно.

 

Рисунок 3.19. Результаты гармонического анализа.

Рисунок 3.20. Спектры отклика системы.

По результатам сдвига опор удалось снизить перемещение точки до 110мм при статическом нагружении и до 11 мм при динамическом. При замене же опор на направляющие деформация трубопровода в данной точке снизилась до 26мм при статическом анализе, а при динамическом – до 3мм.

Анализируя же спектры отклика в целом, что замена опоры повлияла на коэффициент динамичности преимущественно в напралении, поперечном оси трубопровода, в вертикальном и продольном направлении более эффективным оказалось смещение опор.

Спектр собственных частот при изменении только двух опор изменился незначительно.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной магистерской работе были рассмотрены условия, при которых возникают динамические нагрузки в магистральных и технологических трубопроводах. В ходе работы было установлено, что основная задача динамического расчета трубопровода состоит в недопущении в нем резонанса.

Для этой цели важной задачей является определение частоты собственных колебаний трубопровода, так как она зависит не от нагрузок, а от конструктивных особенностей трубопровода и является постоянной величиной. Следовательно, зная динамические нагрузки, которые будут действовать на трубопровод в процессе его эксплуатации, на этапе проектирования трубопровода появляется возможность подобрать конструкцию трубопровода с собственной частотой, которая будет обеспечивать его безопасную работу.

В ходе работы был проведен ряд исследований с применением моделирования в ANSYS с целью оценки степени влияния расстояния между опорами, типа опор, наличия сосредоточенных масс на частоту собственных колебаний трубопровода, а также коэффициент динамичности.

Результаты показали, что частота собственных колебаний и коэффициент динамичности связаны между собой. Чем ниже частоты собственных колебаний, тем выше амплитуды колебаний системы.

Частота собственных колебаний резко возрастает, когда в направлении колебаний действуют ограничения на перемещения или же увеличивается жесткость опоры. Важно определить направление возможного колебания трубопровода, чтобы была возможность эти колебания минимизировать. Так, например, изменение расстояния между опорами должным образом влияет только на вертикальные колебания, так как при использовании самых распространенных скользящих опор трубопровод при любом расстоянии не испытывает существенного сопротивления в направлении других осей.

Про опоры можно сказать следующее. На колебания, происходящие в вертикальной плоскости их замена мало влияет. Так как изменение их жесткости при замене незначительно по отношению ко всей конструкции в целом и этого недостаточно для существенного изменения частоты колебаний. В то же время, используя опоры, ограничивающие перемещения трубы можно добиться значительного изменения частоты собственных колебаний, действующих в направлении этого ограничения.

Отдельно стоит сказать про использование пружинных опор. Они обладают очень высокой податливостью, ввиду, чего при их использовании значительно снижается частота собственных колебаний. Данные результаты лишний раз подтвердили, что они могут значительно обезопасить работу трубопроводов с высокими частотами возмущающих колебаний, например, работающие насосные или компрессорные агрегаты.

Наличие сосредоточенных масс оказало положительный эффект на колебания, действующие в горизонтальной плоскости по оси, поперечной трубопроводу. С увеличением массы коэффициент динамичности трубопровода снижался В то же время, в направлении других осей происходит обратная ситуация. В отношении же частот собственных колебаний наличие масс приводит к снижению их значений по всем направлениям, что находит свое применение в динамических гасителях колебаний. Но наличие масс вызывает дополнительные статические нагрузки на трубопровод, а также является металлозатратным ввиду высокой массы. Поэтому данный способ применяют редко, стараясь использовать пружинные опоры.

 

 

[1] Упругая ось стержня — это геометрическое место точек («центров же­сткости»), к которым должны быть приложены внешние силы, чтобы вызвать изгиб стержня без кручения. Если упругая ось не. совпадает с линией центров тяжести, то, как известно, стержень, Изгибаясь, будет закручиваться.